光电式传感器

第8章 光电式传感器
8.1 光电效应与光电器件 8.2 计 量 光 栅 8.3 光纤传感器 8.4 红外线传感器 8.5 激光传感器 8.6 光电式传感器及其应用实例
8.1 光电效应与光电器件
8.1.1 外光电效应
在光线作用下，能使电子从某些材料的物体表面逸出的物理 现象称为外光电效应，也称光电发射效应。属于外光电效应 的光电元器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
电子数目也越多，光电流 I 就越大。
当光电管阳极加上适当电压(数十伏)时，从阴极表面逸出的电子被 具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。光 电流正比于光电子数，而光电子数又正比于光照度。
上一页 下一页 返回
8.1 光电效应与光电器件
当光电管阳极加上适当电压(数十伏)时，从阴极表面逸出的 电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称 为光电流。光电流正比于光电子数，而光电子数又正比于光 照度。
上一页 下一页 返回
8.1 光电效应与光电器件
亮电阻：光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电 阻值称为电阻，这时在给定工作电压下的电流称亮电流。
光光电敏流电：阻亮的电 暗流 电和 阻暗 越电 大流 ，之 而间 亮的 电差 阻成 越为 小光 ，电 则流性能I 越。好。也就
是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度
就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过，甚至高
达，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到以下，可见光
敏电阻的灵敏度是相当高的。
2. 光敏二极管
光敏二极管的工作原理基于内光电效应。光敏二极管结构与 一般二极管相似，它们都有一个PN结。光敏二极管和普通二 极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结 构上有其特殊的地方。为了提高转换效率大面积受光，PN结 面积比一般二极管大。
1. 光电管 光电管的外形wenku.baidu.com图8-1所示，光电阴极K和光电阳极A封装在
真空玻璃管内。当入射光线穿过光窗照到光电阴极上时，由 于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在电场的作 用下，光电子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收， 在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光 阴极的灵敏度等因素。如果在外电路中串入一只适当阻值的 电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。这电流或电 压的变化与光成一定函数关系，从而实现了光电转换，如图 8-2所示。
8.1.2 内光电效应
在光线作用下能使物体电阻率发生变化的现象称为内光电效 应，也称光电导效应。这一类的光电元器件有光敏电阻、光 敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。
1. 光敏电阻 光敏电阻是一种利用光敏感材料的内光电效应(光导效应)制
成的光电元件。它具有精度高、体积小、性能稳定、价格低 等特点，所以被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信 号传感元件。
上一页 下一页 返回
8.1 光电效应与光电器件
通常光电倍增管的灵敏度比光电管要高出几万倍，在微光下 就可产生可观的电流。例如，可用来探测高能射线产生的辉 光等，由于光电倍增管有如此高的灵敏度，因此使用时应注 意避免强光照射而损坏光电阴极。但由于光电倍增管是玻璃 真空器件，体积大、易破碎，工作电压高达上千伏，所以目 前已逐渐被新型半导体光敏元件所取代。
由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频 率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是可见 光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。目前紫外光电管 在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等，可见光较难 引起光电子的发射。
2. 光电倍增管 光电管的灵敏度较低，在微光测量中通常采用光电倍增管，
上一页 下一页 返回
8.1 光电效应与光电器件
(1) 结构与工作原理 光敏电阻由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极
和半导体之间呈欧姆接触，使用时在它的两电极上施加直流 或交流工作电压。在无光照射时，光敏电阻呈高阻，回路中 仅有微弱的暗电流通过。在有光照射时，光敏材料吸收光能， 使电阻率变小，呈低阻态，从而在回路中有较强的亮电流通 过。光照越强，阻值越小，亮电流越大。如果将该亮电流取 出，经放大后即可作为其他电路的控制电流。当光照射停止 时，光敏电阻又逐渐恢复原值呈高阻态，电路又只有微弱的 暗电流通过。 制作光敏电阻的材料种类很多，如金属的硫化物、硒化物和 锑化物等半导体材料。目前生产的光敏电阻主要是硫化镉， 为提高其光灵敏度，在硫化镉中再掺入铜、银等杂质。 (2) 光敏电阻的主要参数 暗电阻：指光敏电阻置于室温、全暗条件下，经一段时间稳 定后测得的阻值，这时在给定的工作电压下测得的电流称暗 电流。
上一页 下一页 返回
8.1 光电效应与光电器件
光敏二极管在电路中的符号如图8-4所示。光敏二极管的PN 结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的照射。使用时要 反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极，即 光敏二极管在电路中处于反向偏置状态。无光照时，与普通 二极管一样，反向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏 电流，称暗电流。光敏二极管的基本电路如图8-5所示。
下一页 返回
8.1 光电效应与光电器件
电子逸出金属表面的速度v可由能量守恒定律定义
1 mv2 h W
式2中 m——电子质量；
(8-1)
W——金属材料(光电阴极)逸出功。
式(8-1)即为著名的爱因斯坦光电方程，它揭示了光电效应的本质。 由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电 子逸出，入射光的频率f有一最低的限度，当hf小W于时，即使光通 量很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当 hf大于W时，光通量越大，撞击到阴极的光子数目也越多，逸出的
如图8-3所示。光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以 及位于其间的若干个倍增极构成。工作时在各电极之间加上 规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光 电子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在末级倍增 极形成数量为光电子的106～108倍的次级电子。众多的次级 电子最后为阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。